Архитектура центрального процессора

Существует много различных подходов к реализации структурной схемы (архитектуры) центрального процессора (ЦП). В нашей стране наибольшее распространение получила архитектура, предложенная американской фирмой Intel. Именно поэтому мы сосредоточим основное внимание на изучении процессоров, построенных по идеологии Intel и вычислительных машин, реализованных на базе этих процессоров фирмой IBM. Начнем с первого 16-разрядного процессора Intel 8086, разработанного еще в 1978 году и послужившего основой для разработки многих поколений ЦП, вплоть до Pentium 4.

При разработке Intel 8086 применены интересные архитектурные реше­ния, к которым, в частности, относится разделение функций сопряжения с шиной и выполнения команд. В соответствии с этим структуру процессора (рис. 1.1, а) можно условно разделить на две части: блок сопряжения с шиной (БСШ) и исполнительный блок (ИБ). Блок сопряжения с шиной БСШ обеспечивает функции, связанные с выборкой операндов и кодов команд из памяти, запоминанием операндов, установлением очередности команд, а также формированием адресов операндов и команд. Исполнительный блок ИБ получает команды из очереди команд и указывает адрес операнда для БСШ. Операнды из памяти поступают через БСШ на обработку в ИБ, который выполняет предписанные операции и возвращает результаты в память через БСШ. Важно подчеркнуть, что эти блоки работают параллельно, причем БСШ обеспечивает извлечение кодов команд заблаговременно, в то время как ИБ выполняет текущую команду. Это повышает пропускную способность мультиплексированной шины адреса/данных ША/Д и увеличивает быстродействие ЦП.

Рассмотрим назначение и работу отдельных узлов микропроцессора Intel 8086. В нем имеется четырнадцать 16-разрядных регистров, которые по своему назначению можно разделить на три группы (рис. 1.1, б). Регистры АХ, ВХ, СХ, DX образуют группу регистров общего назначения (РОН). Эти регистры могут без ограничений участвовать в выполнении арифметических и логических опера­ций. Некоторые другие операции, например операции над цепоч­ками байтов и слов, предписывают регистрам данной группы спе­циальное использование: АХ - аккумулятор, ВХ - база, СХ - счетчик, DX - данные. В отличие от регистров других групп РОН обладают свойством раздельной адресации старших и младших байтов. Поэтому РОН можно рассматривать как совокупность двух наборов 8-разрядных регистров: набора Н, содержащего АН, ВН, СН, DH, и набора L, содержащего AL, BL, CL, DL. Регистры всех других групп являются неделимыми и оперируют 16-разрядными словами, даже в случае использования только старшего или младшего байта.

Регистры SP, BP, SI и DI образуют группу указательных и индексных регистров, назначение которых заключается в том, что они содержат значения смещений, используемых для адресации в пределах текущего сегмента памяти. При этом регистры-указатели SP и ВР хранят смещения адреса в пределах текущего сегмента памяти, выделенного под стек, а индексные регистры SI и DI содержат смещения адреса в пределах текущего сегмен­та памяти, выделенного под данные. С этим связаны и обозна­чения регистров: SP - указатель стека, ВР - указатель базы, SI - индекс источника и DI - индекс места назначения. Регистры этой группы могут использоваться и как регистры общего назначения.

Регистры CS, DS, SS и ES, образующие группу сегментных регистров, играют важную роль во всех действиях ЦП, связан­ных с адресацией памяти. Обозначения регистров расшифровы­ваются следующим образом: CS - кодовый или программный сегмент, DS - сегмент данных, SS - стековый сегмент и ES - дополнительный сегмент. Содержимое любого из этих регистров определяет текущий начальный адрес сегмента памяти, выде­ленного пользователем под информацию, соответствующую на­званию регистра.

Содержимое регистра CS определяет начальный адрес сег­мента памяти, в котором располагается объектный код програм­мы. Выборка очередной команды осуществляется относительно содержимого CS с использованием значения указателя команд IP. Содержимое регистра DS определяет начальный адрес теку­щего сегмента данных, так что обращение к данным в памяти ЦП осуществляет относительно содержимого DS. Для обраще­ния к другим трем сегментам: дополнительному, стековому или программному - используется специальный указатель, который называется префиксом замены сегмента и располагается в соот­ветствующих командах.

Содержимое регистра SS определяет текущий сегмент, вы­деленный для организации стека. Все обращения к памяти, при которых для вычисления адреса прямо или косвенно использу­ются регистры ВР или SP, осуществляются относительно содер­жимого регистра SS. К таким обращениям относятся, напри­мер, все операции со стеком, включая и те, которые связаны с операциями вызова подпрограмм, прерываниями и операциями возврата. Обращения к данным, использующие регистр ВР (но не SP), могут производиться также и относительно одного из трех других сегментных регистров путем использования префик­са замены сегмента.

Рис. 1.1. Архитектура центрального процессора Intel 8086 и его регистры.

Содержимое регистра ES определяет начальный адрес сег­мента, рассматриваемого как дополнительный сегмент данных. В частности, обращения к данным в операциях с цепочками бай­тов или слов осуществляются относительно ES, а в качестве сме­щения берется содержимое DI.

Рис. 1.2. Регистр флагов

Кроме перечисленных регистров имеются два 16-разрядных регистра: IP - указатель команд и F - регистр флагов. В регист­ре IP формируется относительный (относительно CS)адрес команды, подлежащей исполнению. В регистре F (рис. 1.2) ис­пользуются следующие девять разрядов: CF - перенос, PF - четность, AF - вспомогательный перенос, ZF - нулевой резуль­тат, SF - знак, TF - пошаговый режим, IF - разрешение преры­вания, DF - направление, OF - переполнение. Неиспользован­ные разряды на рисунке заштрихованы.

Флаги AF, CF, PF, SF и ZF характеризуют признаки результата последней арифметической, логической или иной операции, влияющей на эти флаги. Установка флага производится в следующих случаях:

AF - при выполнении операции производится перенос «1» из младшей тетрады байта в старшую или осуществляется заем «1» из старшей тетрады;

CF - при переносе «1» из старшего бита байта (слова) или при заеме единицы в старший бит;

PF - если в представлении результата операции содержится четное число единиц;

SF - при получении «1» в старшем бите результата;

ZF - если в результате выполнения операции получено нуле­вое значение.

К этой группе флагов относится также флаг OF, который устанавливается при наличии переполне­ния в результате выполнения арифметических операций над чис­лами со знаком.

Флаги DF, IF и TF используются для управления работой процессора. Флаг DF управляет направлением обработки данных в операциях с цепочками байтов или слов. При DF=1 цепочка обрабатывается снизу вверх, т. е. происходит автоматическое уменьшение (автодекремент) адреса текущего элемента цепочки. При DF=0 цепочка обрабатывается сверху вниз, т. е. происходит автоматическое увеличение (автоинкремент) адреса.

Флаг IF предназначается для разрешения или запрещения (маскирования) внешних прерываний. При IF = 0 внешние пре­рывания запрещены, т. е. процессор не реагирует на их запросы.

Флаг TF применяется для задания процессору пошагового ре­жима, при котором процессор после выполнения каждой коман­ды останавливается и ждет внешнего запуска. Пошаговый режим задается установкой флага TF= 1 и обычно необходим при отлад­ке программ.

Основные операции по обработке данных выполняются в арифметико-логическом устройстве (АЛУ), с которым связана схема коррекции результатов (СКР), используемая при работе с данными, представленными в двоично-десятичных кодах. Связь внутренних узлов ЦП с шиной ША/Д осуществляется через бу­фер шины БШ, состоящий из двунаправленных усилителей с тре­мя устойчивыми выходными состояниями.

Усовершенствование архитектуры Intel 8086 связано также с вве­дением в структуру микропроцессора специального сумматора (СМ) для вычисления адресов памяти.

Как отмечалось выше, разрядность адресов микропроцессора равна 20. Однако для упрощения операций хранения и пересылки адресной информации процессор манипулирует 16-разрядными логическими адресами, к которым относятся начальные (базо­вые) адреса сегментов памяти и значения смещений в этих сег­ментах. Логические адреса используются для вычисления 20-разрядных физических (абсолютных) адресов с помощью следующей процедуры. Содержимое каждого сегментного регист­ра рассматривается как 16 старших разрядов А19-А4 начально­го адреса соответствующего сегмента. Младшие разряды A3-А0 этого адреса всегда полагаются равными нулю и поэтому не за­поминаются в регистрах, а приписываются справа к старшим разрядам во время операции вычисления физических адресов. Эта операция выполняется сумматором адреса, расположенным в блоке БСШ, и состоит в сложении 20-разрядного началь­ного адреса сегмента с 16-разрядным смещением, которое допол­няется четырьмя старшими разрядами А19-А16, равными нулю, как показано на рис. 1.3. Сумматор адресов осуществляет, напри­мер, следующие вычисления: CS + IP - при выборке очередной команды, SS + SP - при обращении к стеку, DS + SI и ES + DI - при обработке строк, DS + EA- при обращении к запоминающе­му устройству с произвольной выборкой (ЕА - исполнитель­ный адрес, формирование кото­рого описано ниже).

Рис. 1.3. Вычисление физического 20-разрядного адреса

Поскольку младшие четыре разряда начального адреса лю­бого сегмента должны быть равны нулю, значения началь­ных адресов сегментов выбира­ются кратными 16. Наиболь­шая емкость памяти, отводи­мой под один сегмент, определяется максимальным значением 16-разрядного смещения и составляет 64К байт.

Рис 1.4. Пример размещения сегментов в памяти

В несложных системах с емкостью памяти не более 64К байт можно отказать­ся от сегментации памяти и установить все сегментные регист­ры в нулевое состояние. При этом 16-разрядный адрес смещения будет фактически абсолютным адресом. При использо­вании системы с большой емкостью памяти (до 1М байт включи­тельно) начальные адреса сегментов задаются исходя из особен­ностей структуры программного обеспечения и данных, хранимых в памяти. На рис. 1.4 приведен пример размещения сегментов памяти.